一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法及装置与流程

本发明涉及燃料电池汽车技术领域，更具体地说，涉及一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法及装置。

背景技术：

燃料电池汽车具有加氢时间短、续驶里程高以及零排放等优点。目前，以燃料电池和动力电池为能量源的混合动力汽车是燃料电池动力系统常用的架构，能量管理控制方法决定了两种能量源是否可以进行合理分配，是影响整车动力性和经济性的关键技术。

在环境温度比较低的情况下，燃料电池汽车通常采用ptc(positivetemperaturecoefficient，正温度系数)加热器对乘员舱进行加热，使汽车的耗电量大大增加。

那么，如何对整车的能量进行优化管理，以提高能量利用率是本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法及装置，技术方案如下：

一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法，所述能量管理方法包括：

获取乘员舱的加热需求功率，以及当前燃料电池温度；

判断所述当前燃料电池温度是否大于余热利用设定阈值；

若是，则计算燃料电池的实际余热功率；

依据所述实际余热功率和所述加热需求功率，将全部或部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供。

优选的，在上述能量管理方法中，所述依据所述实际余热功率和所述加热需求功率，将全部或部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供，包括：

判断所述实际余热功率是否大于所述加热需求功率；

若是，则将全部所述乘员舱的加热需求功率由部分所述实际余热功率提供；

若否，则将部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供。

优选的，在上述能量管理方法中，所述能量管理方法还包括：

获取动力电池的soc值；

判断所述soc值是否小于soc第一阈值；

若是，则所述燃料电池在许用功率范围内还需要为所述动力电池充电。

优选的，在上述能量管理方法中，所述能量管理方法还包括：

判断所述soc值是否大于soc第二阈值；

若是，则所述燃料电池处于停止运行状态。

优选的，在上述能量管理方法中，所述能量管理方法还包括：

判断所述soc值是否处于所述soc第一阈值和所述soc第二阈值之间；

若是，获取所述燃料电池的高效率区间；

判断所述当前燃料电池温度是否小于所述余热利用设定阈值，且所述燃料电池的输出功率是否小于所述高效率区间的下边界值；

若是，则将所述燃料电池的输出功率调整到所述高效率区间的下边界值；

判断所述当前燃料电池温度是否不小于所述余热利用设定阈值，且所述燃料电池的输出功率是否大于所述高效率区间的上边界值；

若是，则将所述燃料电池的输出功率调整到所述高效率区间的上边界值。

一种燃料电池混合动力汽车的能量管理装置，所述能量管理装置包括：

第一获取模块，用于获取乘员舱的加热需求功率，以及当前燃料电池温度；

第一判断模块，用于判断所述当前燃料电池温度是否大于余热利用设定阈值；

计算模块，用于若是，则计算燃料电池的实际余热功率；

执行模块，用于依据所述实际余热功率和所述加热需求功率，将全部或部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供。

优选的，在上述能量管理装置中，所述执行模块具体用于：

判断所述实际余热功率是否大于所述加热需求功率；

若是，则将全部所述乘员舱的加热需求功率由部分所述实际余热功率提供；

若否，则将部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供。

优选的，在上述能量管理装置中，所述能量管理装置还包括：

第二获取模块，用于获取动力电池的soc值；

第二判断模块，用于判断所述soc值是否小于soc第一阈值；

充电控制模块，用于若是，则所述燃料电池在许用功率范围内还需要为所述动力电池充电。

优选的，在上述能量管理装置中，所述能量管理装置还包括：

第三判断模块，用于判断所述soc值是否大于soc第二阈值；

停止运行模块，用于若是，则所述燃料电池处于停止运行状态。

优选的，在上述能量管理装置中，所述能量管理装置还包括：

第四判断模块，用于判断所述soc值是否处于所述soc第一阈值和所述soc第二阈值之间；

第三获取模块，用于若是，获取所述燃料电池的高效率区间；

第五判断模块，用于判断所述当前燃料电池温度是否小于所述余热利用设定阈值，且所述燃料电池的输出功率是否小于所述高效率区间的下边界值；

第一调整模块，用于若是，则将所述燃料电池的输出功率调整到所述高效率区间的下边界值；

第六判断模块，用于判断所述当前燃料电池温度是否不小于所述余热利用设定阈值，且所述燃料电池的输出功率是否大于所述高效率区间的上边界值；

第二调整模块，用于若是，则将所述燃料电池的输出功率调整到所述高效率区间的上边界值。

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明提供的一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法，包括：获取乘员舱的加热需求功率，以及当前燃料电池温度；判断所述当前燃料电池温度是否大于余热利用设定阈值；若是，则计算燃料电池的实际余热功率；依据所述实际余热功率和所述加热需求功率，将全部或部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供。

该能量管理方法综合考虑了在乘员舱有加热需求功率时，充分利用燃料电池余热为其提供热量，达到提高能量利用率和提升车辆经济性的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种燃料电池动力系统架构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的又一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的又一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法的流程示意图；

图6为本发明实施例提供的又一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法的流程示意图；

图7为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的功率-效率曲线示意图；

图8为本发明实施例提供的一种燃料电池混合动力汽车的能量管理装置的结构示意图；

图9为本发明实施例提供的另一种燃料电池混合动力汽车的能量管理装置的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的又一种燃料电池混合动力汽车的能量管理装置的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的又一种燃料电池混合动力汽车的能量管理装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

众所周知，燃料电池在高功率输出工况下，产热量大，若完全利用散热器进行散热，会增加额外的散热功率损失。若将燃料电池热量进行回收，利用余热为乘员舱供热，既能够减少散热功率损失，又能减少ptc加热导致的电功率损失。

因此，本发明提供了一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法及装置，主要针对氢燃料电池混合动力汽车，利用燃料电池余热可回收利用的特点，根据整车实时功率需求、动力电池soc值、燃料电池温度，对燃料电池的输出功率和动力电池的输出功率进行控制，并且通过将燃料电池的余热进行回收利用，代替电能加热乘员舱，可有效提升能量的利用率，也能够减轻散热器的散热负担。

也就是说，本发明提出的能量管理方法充分考虑了余热利用对于能量的增益，可有效提高整车能量利用率，进而提升车辆的经济性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种燃料电池动力系统架构示意图。

所述燃料电池动力系统主要包括：燃料电池系统、单向dc/dc变换器、动力电池、双向dc/dc变换器、电机、主减速器和高压负载。

燃料电池系统与动力电池分别通过dc/dc变换器连接在总线上，高压负载如空调等直接连接在总线上，当打开空调进行取暖时，总线的需求功率会相应增加。

图1中虚线框内的能量流动分别是燃料电池系统的热功率流和总线上的电功率流。

其中，pthm为燃料电池产生的热功率，主要通过三种方式进行散失。

一部分热功率被反应后的气体带走，功率为pexh。

一部分热功率通过外部温度热辐射进行散失，功率为pemi。

一部分热功率通过冷却水进行散失，功率为pcool。

剩下未散失的热功率则会使燃料电池的温度升高。

其中，冷却水能够带走电堆的大部分热量，是最主要的散热途径。这部分热功率一部分依靠散热器与空气换热，功率为prad，另一部分热功率phtr在寒冷的环境下可用于为乘员舱进行加热。

总线上的电功率由燃料电池和动力电池共同提供，燃料电池通过dc/dc变换器与动力电池并联，满足电机和高压负载的需求功率。

燃料电池在动力电池电量不足时，也可为其提供功率进行充电。

高压负载，如空调，当其进行制热模式时，消耗的电能会增加总线功率，因此本发明利用燃料电池的余热来为其提供需求功率，以减少能量损耗。

参考图2，图2为本发明实施例提供的一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法的流程示意图。

所述能量管理方法包括：

s101：获取乘员舱的加热需求功率，以及当前燃料电池温度。

在该步骤中，实时采集车辆动力总成信息，主要包括：燃料电池系统启动指令、取暖指令、燃料电池系统最大/最小输出功率pfcs_max、pfcs_min，动力电池的soc值、动力电池最大充电/放电功率pchr_max、pdis_max，电机需求功率pm，高压负载功率pacc。

根据车辆行驶工况及动力学方程确定电机的需求功率pm，结合总线上的高压负载功率pacc，确定总线上的功率需求pbus，如下所示：

pbus＝pm+pacc

判断燃料电池是否处于启动状态，若是，则执行后续步骤，若否，则动力电池提供整车需求功率，直至动力电池的soc值小于soc第一阈值socset_min，燃料电池启动。

获取车辆当前取暖指令，即乘员舱取暖指令，也就是说总线上是否有加热需求，这是进行燃料电池余热利用方案的前提，若存在加热需求，则执行后续步骤，若不存在加热需求，则按照车辆的其它能量管理方法进行功率分配，燃料电池余热自然冷却或者通过散热风扇进行散热。

建立乘员舱内部热动态模型，乘员舱的加热需求功率是能量管理控制的一个重要输入参数。乘员舱内部热动态模型与很多因素相关，计算方法可采用集总参数法。

在本发明中只考虑主要影响因素，包括：车辆出风口处散出的热，即乘员舱加热需求热量qcabin，外部空气与乘员舱内的温度差异产生的热qout，车辆中乘客散发的辐射热qper，则乘员舱内部的热平衡关系式为：

其中，qout与导热系数λ、导热面积a、环境温度tamb和乘员舱内温度tcabin的差值有关。

qout＝λ·a·(tamb-tcabin)

qper与乘员个数n有关，单个乘客散发的功耗一般设置为100w。

根据qout、乘员舱的比热容ccabin、质量mcabin及乘员舱内温度变化值，即可通过热平衡关系式得到乘员舱的加热需求功率

获取当前燃料电池温度，该温度与热管理系统息息相关。燃料电池系统内的热量主要通过热传导和热辐射等方式进行散失，主要包括：循环冷却水带走的热量、反应气体带走的热量和环境温度热辐射带走的热量。通过热传递方程，即可计算出当前燃料电池温度tfc。

具体为：燃料电池系统温度需根据燃料电池的热模型进行求解。

氢气发生反应放出的总能量qh2以一定的效率转化为电能输出，未转化为电能的部分以热量的形式存在。这部分热量通过不同方式进行散失，主要包括：循环冷却水带走的热量qcool、反应气体带走的热量qexh和环境温度热辐射带走的热量qemi，未散失的热量会使燃料电池的电堆温度升高。

其中，总能量与氢耗量及氢气的热值qlhv有关。

冷却水带走的热量与冷却水的比热容cw、质量mw及电堆入口温度(tfc_in)和出口温度(tfc_out)差值有关。

qcool＝cw·mw·(tfc_out-tfc_in)

反应气体带走的热量与各气体的比热容cg、质量mg及温差有关。气体主要包括：氢气、氧气、氮气等。

qexh＝∑cgmg·(tfc-tamb)

热辐射的热量主要与黑体辐射系数φ与电堆辐射表面积a有关。

qemi＝φaσ(tfc⁴-tamb⁴)

根据电堆的比热容cfc、质量mfc，通过热传递方程，可计算出燃料电池的温度tfc。

s102：判断所述当前燃料电池温度是否大于余热利用设定阈值。

在该步骤中，所述余热利用设定阈值表征燃料电池温度超过该值时，可以将燃料电池的余热进行回收利用。

s103：若是，则计算燃料电池的实际余热功率。

在该步骤中，若当前燃料电池温度大于余热利用设定阈值，计算此时能够利用的燃料电池热功率，即实际余热功率phtr。

燃料电池的余热传递到出风口用于加热乘员舱的热功率phtr需要经过暖风芯体，造成的功率损失可通过暖风芯体内部的传热方程进行计算，其与管道直径、散热器厚度和空气热导率等参数相关。

由于本发明侧重于能量管理策略的制定，暖风芯体的相关热管理计算可根据不同的设计，利用公式对热功率损失进行计算，在此不作过多说明。

本发明假设可通过暖风芯体热平衡方程得到可利用的燃料电池热功率，即实际余热功率phtr。

s104：依据所述实际余热功率和所述加热需求功率，将全部或部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供。

在该实施例中，该能量管理方法综合考虑了在乘员舱有加热需求功率时，充分利用燃料电池余热为其提供热量，达到提高能量利用率和提升车辆经济性的目的。

进一步的，基于本发明上述实施例，参考图3，图3为本发明实施例提供的另一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法的流程示意图。

步骤s104：所述依据所述实际余热功率和所述加热需求功率，将全部或部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供，包括：

s1041：判断所述实际余热功率是否大于所述加热需求功率。

s1042：若是，则将全部所述乘员舱的加热需求功率由部分所述实际余热功率提供。

在该步骤中，当实际余热功率phtr大于加热需求功率pcabin，则总线上乘员舱加热需求功率可由燃料电池的部分余热提供，燃料电池剩余的热量可通过散热器进行散失，即：

pbus＝pm+pacc-pcabin

s1043：若否，则将部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供。

在该步骤中，当实际余热功率phtr小于或等于加热需求功率pcabin，则燃料电池的余热功率仅满足部分乘员舱的加热需求功率，不足的功率需利用ptc进行电加热，则总线上的需求功率为：

pbus＝pm+pacc-phtr

进一步的，基于本发明上述实施例，参考图4，图4为本发明实施例提供的又一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法的流程示意图。

所述能量管理方法还包括：

s105：获取动力电池的soc值。

s106：判断所述soc值是否小于soc第一阈值。

在该步骤中，所述soc值小于soc第一阈值，表征所述动力电池处于低电量，动力电池的功率不足以提供整车功率需求，所述soc第一阈值为20％。

s107：若是，则所述燃料电池在许用功率范围内还需要为所述动力电池充电。

在该实施例中，燃料电池在许用功率范围内不仅需要响应总线需求功率，还要为动力电池充电。

动力电池功率在许用功率范围进行充电，本发明中规定动力电池充电功率值为正值，放电功率值为负值。

pfcs＝min(pbus+pess，pfcs_max)

pess＝max(pbus-pfcs，pchr_max)

进一步的，基于本发明上述实施例，参考图5，图5为本发明实施例提供的又一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法的流程示意图。

所述能量管理方法还包括：

s108：判断所述soc值是否大于soc第二阈值。

在该步骤中，所述soc第二阈值为80％。

s109：若是，则所述燃料电池处于停止运行状态。

在该实施例中，当所述soc值大于soc第二阈值，动力电池在许用功率范围内提供整车需求功率。

为了避免因电池过充导致寿命与安全问题，需使燃料电池处于停止运行状态，即停机状态。

pfcs＝0

pess＝min(pbus，pdis_max)

进一步的，基于本发明上述实施例，参考图6，图6为本发明实施例提供的又一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法的流程示意图。

所述能量管理方法还包括：

s110：判断所述soc值是否处于所述soc第一阈值和所述soc第二阈值之间。soc值在soc第一阈值和soc第二阈值之间

s111：若是，获取所述燃料电池的高效率区间。

在该步骤中，参考图7，图7为本发明实施例提供的一种燃料电池系统的功率-效率曲线示意图。燃料电池系统效率η大于ηvalve所对应的燃料电池功率所处区间为高效率区间，对应的功率范围为[popt_min，popt_max]，其它功率对应的区间为低效率区间。

若燃料电池输出功率处于所述高效率区间内，则燃料电池功率无需作任何变化。若燃料电池输出功率未处于高效率区间内，则需要结合燃料电池的温度以及功率-效率曲线对燃料电池的输出功率进行修正。

s112：判断所述当前燃料电池温度是否小于所述余热利用设定阈值，且所述燃料电池的输出功率是否小于所述高效率区间的下边界值。

s113：若是，则将所述燃料电池的输出功率调整到所述高效率区间的下边界值popt_min。

s114：判断所述当前燃料电池温度是否不小于所述余热利用设定阈值，且所述燃料电池的输出功率是否大于所述高效率区间的上边界值。

s115：若是，则将所述燃料电池的输出功率调整到所述高效率区间的上边界值popt_max。

在该实施例中，这样既可以保证燃料电池温度最大程度满足余热利用要求，又能够使燃料电池效率得以提升，可有效提升经济性。

基于本发明上述全部实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种燃料电池混合动力汽车的能量管理装置，参考图8，图8为本发明实施例提供的一种燃料电池混合动力汽车的能量管理装置的结构示意图。

所述能量管理装置包括：

第一获取模块11，用于获取乘员舱的加热需求功率，以及当前燃料电池温度；

第一判断模块12，用于判断所述当前燃料电池温度是否大于余热利用设定阈值；

计算模块13，用于若是，则计算燃料电池的实际余热功率；

执行模块14，用于依据所述实际余热功率和所述加热需求功率，将全部或部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供。

进一步的，基于本发明上述实施例，所述执行模块14具体用于：

判断所述实际余热功率是否大于所述加热需求功率；

若是，则将全部所述乘员舱的加热需求功率由部分所述实际余热功率提供；

若否，则将部分所述乘员舱的加热需求功率由所述实际余热功率提供。

进一步的，基于本发明上述实施例，参考图9，图9为本发明实施例提供的另一种燃料电池混合动力汽车的能量管理装置的结构示意图。

所述能量管理装置还包括：

第二获取模块15，用于获取动力电池的soc值；

第二判断模块16，用于判断所述soc值是否小于soc第一阈值；

充电控制模块17，用于若是，则所述燃料电池在许用功率范围内还需要为所述动力电池充电。

进一步的，基于本发明上述实施例，参考图10，图10为本发明实施例提供的又一种燃料电池混合动力汽车的能量管理装置的结构示意图。

所述能量管理装置还包括：

第三判断模块18，用于判断所述soc值是否大于soc第二阈值；

停止运行模块19，用于若是，则所述燃料电池处于停止运行状态。

进一步的，基于本发明上述实施例，参考图11，图11为本发明实施例提供的又一种燃料电池混合动力汽车的能量管理装置的结构示意图。

所述能量管理装置还包括：

第四判断模块20，用于判断所述soc值是否处于所述soc第一阈值和所述soc第二阈值之间；

第三获取模块21，用于若是，获取所述燃料电池的高效率区间；

第五判断模块22，用于判断所述当前燃料电池温度是否小于所述余热利用设定阈值，且所述燃料电池的输出功率是否小于所述高效率区间的下边界值；

第一调整模块23，用于若是，则将所述燃料电池的输出功率调整到所述高效率区间的下边界值；

第六判断模块24，用于判断所述当前燃料电池温度是否不小于所述余热利用设定阈值，且所述燃料电池的输出功率是否大于所述高效率区间的上边界值；

第二调整模块25，用于若是，则将所述燃料电池的输出功率调整到所述高效率区间的上边界值。

需要说明的是，本发明实施例提供的能量管理装置和上述实施例提供的能量管理方法的原理相同，在此不再赘述。

以上对本发明所提供的一种燃料电池混合动力汽车的能量管理方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，可以使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。